Baumer LFFS Benutzerhandbuch

Marke: Baumer

Modell: LFFS

Typ: Benutzerhandbuch

   
Baumer Leitfaden für Schaltausgänge V 1.00 DE  1/13  Baumer 
07.20 Peter Fend        (nicht vertraulich)  Frauenfeld, Switzerland 
Baumer Leitfaden für Schaltausgänge 
Geltungsbereich 
Dieses Dokument beschreibt die Funktionsweise von Schaltausgängen, wie z. B. PNP oder NPN. Es soll 
eine Unterstützung für die richtige Auswahl, Parametrierung und Implementierung von Sensoren mit binären 
Signalen geben. 
Die gemachten Angaben dürfen nicht als Spezifikation verstanden werden und Baumer übernimmt keine 
Verantwortung für die bereitgestellten Informationen. 
 
Inhalt 
Kurzfassung .................................................................................................................................. 2 
1  Allgemeines .................................................................................................................................... 2 
2  Logische Zustände ......................................................................................................................... 2 
3  Physikalische Ausführungsformen.................................................................................................. 2 
4  Logische Signalzuordnung ............................................................................................................. 3 
5  Technologische Arten von Schaltausgängen .................................................................................. 3 
Funktionsweise und Eigenschaften von Schaltausgängen ..................................................... 4 
1  Transistorausgänge ........................................................................................................................ 4 
1.1  PNP-Schaltausgang ....................................................................................................................... 4 
1.2  NPN-Schaltausgang ....................................................................................................................... 4 
1.3  Push-Pull-Schaltausgang ............................................................................................................... 5 
2  Relais-Kontakte .............................................................................................................................. 5 
2.1  Elektromagnetische Relais ............................................................................................................. 5 
2.2  Optoelektronische Relais ................................................................................................................ 6 
3  Betrieb von Schaltausgängen ......................................................................................................... 7 
3.1  Belastbarkeit von Schaltausgängen ............................................................................................... 7 
3.2  Auswertung von Schaltsignalen ..................................................................................................... 7 
3.3  Ausfallsichere Konfiguration (Fail-Safe) ......................................................................................... 8 
3.4  Antivalente Signalisierung zur Funktionsüberwachung .................................................................. 9 
4  Konfiguration von Schaltschwellen ................................................................................................. 9 
4.1  Schaltschwelle ................................................................................................................................ 9 
4.2  Schaltfenster ................................................................................................................................. 10 
5  Erweiterte Informationsübertragung mit binären Signalen ........................................................... 11 
5.1  IO-Link .......................................................................................................................................... 11 
5.2  Puls-Weiten-Modulation (PWM) ................................................................................................... 12 
5.3  Impulsausgang zur Summenbildung ............................................................................................ 12 
5.4  Frequenzausgang zur Messwertübertragung ............................................................................... 12 
Anhang ........................................................................................................................................ 13 
1  Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................. 13 
2  Dokumentations-Historie .............................................................................................................. 13 
 
   

Baumer Leitfaden für Schaltausgänge V 1.00 DE 2/13 Baumer

27.07.20 Peter Fend (nicht vertraulich) Frauenfeld, Switzerland

1 Kurzfassung

1.1 Allgemeines

Sensoren mit Schaltausgängen bzw. binären Signalen sind primär bekannt zur Grenzstanderfassung, als

Druckschalter, Durchflusswächter oder Thermostat. Es können aber auch kontinuierlich messende Sensoren

Schaltausgänge beinhalten um zusätzliche Informationen bereit zu stellen oder Steuerungsaufgaben zu

übernehmen. Im weiteren Sinne können binäre Signale auch Information in Form von Frequenz, Puls-

Weiten-Modulation (PWM), Impuls-Summierung für Durchflussmengen, etc. ausgeben. IO-Link, welcher auf

einem Schaltausgang aufbaut, kann in verschiedenen Betriebsmodi Informationen in beide Richtungen

übertragen. Der Leitfaden beschränkt sich demnach nicht auf rein binär messende Sensoren sondern

behandelt die Thematik von physikalischen Schnittstellen die nur binäre Logikzustände annehmen können,

also z. B. 0 V und 24 V bzw. «0» oder «1».

1.2 Logische Zustände

Es werden zwei logische Zustände unterschieden:

 inaktiv Normaler Zustand, z. B. kein Medium erkannt, Druck ok oder kein Fehler

 aktiv Ausgelöster bzw. kritischer Zustand, z. B. Medium erkannt, Druck zu hoch oder Alarm

Die genaue Festlegung ist wichtig für die weitere logische Signalverarbeitung. Es kann durchaus sein, dass

der Zustand «Medium erkannt» ein normaler Zustand ist, wenn es sich z. B. um einen Trockenlaufschutz für

Pumpen handelt. Deshalb ist es empfehlenswert immer die Definitionen des Sensors heranzuziehen, also im

Beispiel «aktiv» bei Medium erkannt.

1.3 Physikalische Ausführungsformen

Es gibt grundlegend vier verschiedene physikalische Ausführungsformen von Schaltausgängen:

 PNP Schalter nach positivem Betriebsspannungspotenzial (+Vs)

 NPN Schalter nach Bezugspotenzial (GND, 0 V)

 Push-Pull Umschalter zwischen positivem Betriebsspannungspotenzial (+Vs) und Bezugspotenzial

(GND, 0 V)

 Kontakt Potenzialfreier Schaltkontakt

GND (0 V)

+Vs

GND (0 V)

+Vs

GND (0 V)

+Vs

PNP NPN

R11

R12

GND (0 V)

+Vs

KontaktPush-Pull

Abb. 1: Physikalische Ausführungsformen von Schaltausgängen

Baumer Leitfaden für Schaltausgänge V 1.00 DE 3/13 Baumer

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1.4 Logische Signalzuordnung

Bei binären Schaltzuständen spricht man von zwei verschiedenen logischen Signalzuordnungen:

 Schliesser (NO: Normally Open) Schalter im normalen (inaktiven) Zustand offen

 Öffner (NC: Normally Closed) Schalter im normalen (inaktiven) Zustand geschlossen

GND (0 V)

+Vs

GND (0 V)

+Vs

GND (0 V)

+Vs

PNP NPN

GND (0 V)

+Vs

GND (0 V)

+Vs

GND (0 V)

+Vs

PNP NPN Push-Pull

R11

R12

Kontakt

GND (0 V)

+Vs

R11

R12

GND (0 V)

+Vs

Push-Pull Kontakt

Schliesser (NO)

Öffner (NC)

Abb. 2: Logische Signalzuordnungen für die jeweiligen physikalische Ausführungsformen

Die beiden Varianten werden vom Sensor durch eine einfache Invertierung der beiden möglichen logischen

Zustände «inaktiv» oder «aktiv» erzeugt. Die richtige Konfiguration hängt vom gewünschten «Fail-Safe»

Zustand ab. Für eine Überfüllsicherung wird man «Normally Closed» bevorzugen, da ein Defekt oder

Drahtbruch den Zustand «Überfüllung» signalisiert, also den kritischen Zustand (siehe Abschnitt 2.3.3).

1.5 Technologische Arten von Schaltausgängen

Es gibt zahlreiche Technologien um Schaltausgänge zu realisieren. Neben klassischen elektromechanischen

Relais sind auch integrierte Schaltungen verfügbar. Prinzipiell lassen sich aber alle Arten in diese Kategorien

unterteilen:

 Transistor Potenzialgebundene Bipolar- oder Feldeffekt-Transistor(en)

 Relaiskontakt Potenzialfreier Schaltkontakt eines

 elektromechanischen Relais

 optoelektronischen Relais (auf Halbleiterbasis)

Transistoren schalten i. d. R. das Betriebsspannungspotenzial +Vs oder das Bezugspotenzial GND (0 V) des

Sensors durch. Mit potenzialfreien Relaiskontakten lassen sich beliebige Potenziale schalten.

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2 Funktionsweise und Eigenschaften von Schaltausgängen

2.1 Transistorausgänge

Transistorausgänge können mit diskreten Komponenten aufgebaut sein oder sich ganz oder teilweise in

integrierten Schaltungen befinden. Je nach Technologie sind die schaltenden Elemente Bipolar- oder

Feldeffekt-Transistoren. Die Bezeichnungen PNP und NPN sind von den Bipolartransistoren abgeleitet

weshalb nur diese im Weiteren in den Prinzipschaltbildern gezeigt sind.

2.1.1 PNP-Schaltausgang

Der PNP-Schaltausgang verwendet einen Transistor dessen Emitter- bzw. Source-Anschluss am positiven

Betriebsspannungspotenzial +Vs nageschlossen ist. Die Elektronik des Sensors steuert diesen Transistor an

der Basis bzw. dem Gate mit einer Steuerspannung an, welche in Richtung des Bezugspotenzials GND (0 V)

gezogen wird wenn der Ausgang aktiv werden soll. In diesem Fall wird der Kollektor- bzw. Drain-Anschluss

des Transistors leitend mit dem Betriebsspannungspotenzial +Vs verbunden. Es fliesst dann Strom aus dem

Schaltausgang Q in den Lastwiderstand R

des Eingangs in der Steuereinrichtung. Für einen inaktiven

Ausgang wird die Steuerspannung am Transistor praktisch mit +Vs verbunden, worauf dieser sperrt und

damit kein Strom mehr herausfliessen kann.

GND (0 V)

+Vs

GND (0 V)

+Vs

PNP

+Vs

Sensor SteuereinrichtungPNP

Abb. 3: Prinzipschaltbild eines PNP-Schaltausgangs

2.1.2 NPN-Schaltausgang

Beim NPN-Schaltausgang ist der Emitter- bzw. Source-Anschluss des Transistors mit dem Bezugspotenzial

GND (0 V) verbunden. Die Steuerspannung der Sensorelektronik angeschlossen an die Basis bzw. das Gate

des Transistors bewegt sich in Richtung Betriebsspannungspotenzial +Vs für einen aktiven Ausgang. Bei

einem solchen wird der Kollektor- bzw. Drain-Anschluss des Transistors leitend mit dem Bezugspotenzial

GND (0 V) verbunden. Es fliesst dann Strom in den Schaltausgang Q aus dem Lastwiderstand R

des

Eingangs der Steuereinrichtung. Bei inaktivem Ausgang wird die Steuerspannung praktisch auf GND (0 V)

gelegt so dass der Transistor sperrt und kein Stromfluss mehr möglich ist.

GND (0 V)

+Vs

GND (0 V)

+Vs

NPN

Sensor SteuereinrichtungNPN

+Vs

Abb. 4: Prinzipschaltbild eines NPN-Schaltausgangs

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2.1.3 Push-Pull-Schaltausgang

Der Push-Pull-Schaltausgang ist im Prinzip eine Mischung aus PNP- und NPN-Schaltausgang. Die

Ansteuerung geschieht so, dass immer nur ein Transistor leitend wird und damit der Ausgang entweder mit

Bezugspotenzial GND (0 V) oder im aktiven Zustand mit Betriebsspannungspotenzial +Vs verbunden ist. Die

angeschlossene Steuereinrichtung kann beliebig angeordnete Lastwiderstände R

beinhalten, die

Schaltpotenziale stellen sich unabhängig von deren Grösse oder Beschaltung ein.

Der Push-Pull-Schaltausgang findet sich generell in schnellen Schnittstellen zur Datenübertragung, so z. B.

bei IO-Link im Kommunikationsmodus. Die angeschlossenen Leitungen weisen immer eine Kapazität auf

und wirken mit dem Lastwiderstand R

als RC-Glied. Die jeweilige bei PNP- oder NPN-Schaltausgang nur

durch R

umgeladen Schaltflanke würde bei höherohmigerem R

und zunehmender Leitungslänge immer

mehr verlangsamt, was die max. Datenübertragungsrate reduziert. Mit Push-Pull-Schaltausgängen lassen

sich bei beiden Schaltflanken die Leitungskapazitäten sehr schnell umladen, da die Transistoren im

geschalteten Zustand sehr niederohmig sind.

GND (0 V)

+Vs

Push-Pull

GND (0 V)

+Vs

NPN

Sensor Steuereinrichtung

PNP

+Vs

Abb. 5: Prinzipschaltbild eines Push-Pull-Schaltausgangs

2.2 Relais-Kontakte

Unter einem Relais-Kontakt versteht man einen potenzialfreien Schalter. Dieser kann mechanisch

(elektromagnetisches Relais) oder optoelektronisch (z. B. Opto-MOS-FET) aufgebaut sein.

2.2.1 Elektromagnetische Relais

Beim elektromagnetischen Relais bewegt eine stromdurchflossene Spule über das sich aufbauende

Magnetfeld einen Anker der den mechanischen Schaltkontakt betätigt. Im inaktiven Zustand (stromlose

Spule) stellt eine Feder den Anker zurück und der Schaltkontakt öffnet. Die Logik kann auch invertiert sein,

der Kontakt wird dann durch bestromen der Spule geöffnet. Es gibt auch Kombinationen aus Schliesser und

Öffner, den sog. Wechsler-Kontakt.

GND (0 V)

+Vs

R11

Sensor Steuereinrichtung

R11

R12

GND (0 V)

+Vs

Kontakt

R12

+Vs

Abb. 6: Prinzipschaltbild eines elektromagnetischen Relais

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Wegen der Baugrösse und des relativ hohen Strombedarfs zur Versorgung der Spule findet man

elektromagnetische Relais nur noch selten in Sensoren. Sie werden aber vorteilhaft in eigensicheren

Trennstufen (Schaltverstärkern) für explosionsgefährdete Bereiche eingesetzt.

+Vs

Steuereinrichtung

Gefährdeter Bereich Sicherer Bereich

Schaltender Sensor mit

PNP-Ausgang

2 NC

B N

1 COM

3 NO

Ex i-Trennstufe

Abb. 7: Beispiel für eine eigensichere Ex i-Trennstufe mit elektromagnetischem Relais

2.2.2 Optoelektronische Relais

Halbleiterschaltungen bieten die Vorteile ohne bewegte Komponenten auszukommen und damit

verschleissfrei zu sein. Normale Optokoppler mit einfachen Transistoren können den Strom nur in eine

Richtung schalten. Für die Emulation eines Kontaktes wäre dies nicht befriedigend. Es sind integrierte

Schaltungen mit Opto-MOS-FETs erhältlich die intern so aufgebaut sind, dass sie den Strom in beide

Richtungen schalten können. Ein solcher potenzialfreier Kontakt verhält sich praktisch wie der eines

elektromechanischen Relais, sofern die max. Strombelastbarkeit nicht überschritten wird.

GND (0 V)

+Vs

R11

Sensor Steuereinrichtung

R11

R12

GND (0 V)

+Vs

Kontakt

R12

+Vs

Abb. 8: Prinzipschaltbild eines optoelektronischen Relais

Die kompakte Bauweise von Halbleiterschaltungen erlaubt auch die Integration in kleinere Sensoren. Abb. 9

zeigt ein Beispiel eines Sensors mit Display, welches zusätzlich die Schaltzustände der zwei Relais-

Kontakte visualisiert. Auf der Rückseite des Elektronik-Einsatzes sind die Anschlussklemmen Rxx platziert.

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Abb. 9: Beispiel einer Sensorelektronik mit zwei optoelektronischen Relais-Kontakten

2.3 Betrieb von Schaltausgängen

2.3.1 Belastbarkeit von Schaltausgängen

Unabhängig von der technologischen Art des Schaltausgangs, also z. B. Transistoren oder potenzialfreie

Relaiskontakte, ist das Schaltvermögen bezüglich max. Schaltspannung und max. Strombelastung

entsprechend begrenzt. Bei Ausgängen mit Halbleiterschaltungen ist i. d. R. ein Kurzschluss-Schutz

implementiert. Ansonsten kann ein Schaltausgang bei Kurzschluss oder Überlastung geschädigt oder

zerstört werden.

Beispiel der Spezifikation eines Transistor-Schaltausgangs:

Spannungsabfall

PNP: (+Vs -0,5 V) ± 0,2 V, Rload ≤ 10 kΩ

NPN: (+0,4 V) ± 0,2 V, Rload ≤ 10 kΩ

Strombelastung

100 mA , max.

Leckstrom

< 100 μA

Kurzschlussfestigkeit

Beispiel der Spezifikation eines potenzialfreien Kontaktes:

Durchlasswiderstand

< 10 Ω

Strombelastung

75 mA , max.

Schaltspannung

60 V , max.

Kurzschlussfestigkeit

2.3.2 Auswertung von Schaltsignalen

Üblicherweise ist der Signalhub zwischen «0» und «1» so gross wie die Betriebsspannung, z. B. 24 V. Trotz

des grossen Spannungshubs zwischen den beiden Pegeln besteht die Gefahr der Beeinflussung durch

elektromagnetische Störungen. Der Lastwiderstand R

in der Auswerteeinheit der Steuereinrichtung sollte

nicht zu hochohmig gewählt werden, da sich kapazitive Störströme sehr leicht einkoppeln können,

insbesondere bei ungeschirmten Kabeln. Je hochohmiger der Lastwiderstand R

, desto grösser ist die

entstehende Störspannung, da solche Störströme wie eine Stromquelle wirken, d. h. die Grösse des

eingekoppelten Stromes ist unabhängig von der Belastung durch den Lastwiderstand R

. Nach dem

ohmschen Gesetz ist der Spannungsabfall an einem Widerstand proportional zum Produkt aus Strom und

Widerstand; deshalb wächst mit hochohmigerem Widerstand auch der Spannungsabfall und damit das

Störpotenzial. Eine weitere Störquelle stellen Leckströme dar. Diese können bereits vom Sensor erzeugt

sein (siehe dessen Spezifikation) oder durch schlechte bzw. fehlerhafte Leitungsisolation entstehen. Als

Daumenwert kann man sagen, dass bei inaktivem Schaltausgang bis zu 1 mA Störstrom fliessen kann. Bei

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aktivem Schaltausgang sollte man daher mindestens 2 mA Strom ziehen um eine deutliche Reserve zur

Unterscheidung zu haben. Des Weiteren muss eine passende Schaltschwelle mit Hysterese definiert

werden.

Praxiserprobte Spezifikation für die Auswertung eines PNP-Schaltausgangs mit 24 V

Betriebsspannung:

Logikzustand

Spannung (V)

Strom (mA)

Lastwiderstand R

< 5

< 1

< 5 kΩ

> 15

> 2 (max. 30)

(< 7,5 kΩ)

 Beim Logikzustand «0» kann ein Störstrom von 1 mA fliessen, die Spannung soll 5 V nicht übersteigen;

es ist ein Lastwiderstand R

von max. 5 kΩ möglich.

 Beim Logikzustand «1» kann die bereitgestellte Spannung bis auf 15 V abfallen, es sollen aber trotzdem

noch min. 2 mA fliessen; der max. Lastwiderstand R

errechnet sich zu 7,5 kΩ.

 Beide Bedingungen werden von einem Lastwiderstand R

< 5 kΩ erfüllt.

 Die Schaltschwelle wird am besten in die Mitte der Spannungsgrenzen gelegt, also bei 10 V; die

Hysterese sollte min. 1 V betragen.

Die Ergebnisse sind entsprechend auf einen NPN-Schaltausgang übertragbar.

2.3.3 Ausfallsichere Konfiguration (Fail-Safe)

Um einen ausfallsicheren Betrieb zu gewährleisten muss sich im Fehlerfall die Signalisierung so verhalten,

dass sich ein sicherer Betriebszustand einstellt.

Beispiel: Wenn eine Überfüllsicherung mit einem Füllstandsschalter ausfällt, muss das Schaltsignal den

Zustand «Überfüllung» anzeigen. Damit wird die Pumpe oder das Ventil zum Befüllen des Tanks

abgeschalten und es kann ein Alarm ausgelöst werden.

Ausfallursachen können sein:

 Ausfall der Betriebsspannung

 Leitungsbruch

 Defekt des Sensors

Bei einem Defekt des Sensors muss dieser ein vordefiniertes Signal ausgeben. Bei einigen Sensoren kann

für diesen Fall eine Vorgabe in den Parametern gemacht werden.

Beispiel anhand einer Überfüllsicherung im Vergleich zu einem Trockenlaufschutz:

Applikation

Medium

erkannt

PNP/NPN

Relais-Kontakt

Schliesser (NO)

Öffner (NC)

Schliesser (NO)

Öffner (NC)

Überfüll-

sicherung

nein

aktiv

geschlossen

inaktiv

offen

Trocken-

laufschutz

nein

inaktiv

offen

aktiv

geschlossen

Bei einem Ausfall der Betriebsspannung bzw. eines Leitungsbruches wird ein PNP- oder NPN-

Schaltausgang inaktiv und ein Relais-Kontakt öffnet sich. Diese Zustände sind für die Signalisierung des

jeweilig kritischen Falls zu wählen. Für das obige Beispiel heisst dies:

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 Überfüllsicherung: Öffner (NC: Normally Closed), Schalter im normalen (inaktiven) Zustand geschlossen

 Trockenlaufschutz: Schliesser (NO: Normally Open), Schalter im normalen (inaktiven) Zustand offen

D. h. im Fall einer Überfüllsicherung muss der Schaltausgang öffnen wenn ein Medium detektiert wird, aber

im Fall eines Trockenlaufschutzes muss der Schaltausgang ebenso öffnen wenn kein Medium detektiert wird

(rote Textmarkierungen in obiger Tabelle).

2.3.4 Antivalente Signalisierung zur Funktionsüberwachung

Für eine ständige Funktionsüberwachung können zwei Schaltsignale parallel übertragen werden, deren

logische Werte invertiert sind (Antivalenz). Wenn bei der Auswertung der Signale diese nicht mehr invertiert

sind, liegt ein Fehler vor.

+Vs

DI1

Steuereinrichtung

Schaltender Sensor mit

antivalenten PNP-Ausgängen

DI2

Abb. 10: Antivalente Signalisierung zur Funktionsüberwachung am Beispiel von PNP-Ausgängen

Wahrheitstabelle für die Antivalente Signalisierung:

Sensorzustand

inaktiv

aktiv

inaktiv oder aktiv

Ausgang NO

Ausgang NC

Status

Fehler

Die antivalente Signalisierung kann auch mit den Ausführungsformen NPN oder Push-Pull realisiert werden.

2.4 Konfiguration von Schaltschwellen

Kontinuierlich messende Sensoren mit Schaltausgang, z. B. Druckschalter, haben Parameter um die

Schaltschwellen bzw. Schaltfenster zu konfigurieren. Die Funktionalität und Parameterstruktur ist

gerätespezifisch, weshalb die Betriebsanleitung heranzuziehen ist um die passenden Einstellungen

vornehmen zu können.

Im Weiteren sind die Möglichkeiten auf generischer Basis erläutert.

2.4.1 Schaltschwelle

Die Parameter für eine Schaltschwelle sind Schwellenwert und Hysterese. Das Ausgangssignal wechselt

beim Überschreiten des Schwellenwertes in den aktiven Zustand. Das Rücksetzen in den inaktiven Zustand

geschieht erst beim Unterschreiten der Schaltschwelle abzüglich einer sog. Hysterese. Dadurch wird

vermieden, dass das Ausgangssignal schwingt, wenn sich die Anregung nahe um die Schaltschwelle bewegt

(siehe Abb. 11).

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Abb. 11: Definition der Schaltschwelle mit Hysterese

Die Festlegung der Hysterese ist entweder mit einem eigenen Parameter realisiert oder mit einem absoluten

Rücksetz-Schwellenwert. Ein solcher muss bei einer Änderung des Schwellenwertes manuell nachgezogen

werden.

Des Weiteren gibt es Definitionen von positiver und negativer bzw. links und rechts oder zentrierter

Hysterese. Wie die damit erzeugten Schwellenwerte realisiert werden ist der jeweiligen Betriebsanleitung zu

entnehmen.

2.4.2 Schaltfenster

Beim Schaltfenster ist das Ausgangssignal aktiv, solange sich die Anregung innerhalb der beiden Parameter

Schaltfenster min. und Schaltfenster max. befindet (siehe Abb. 12).

Auch hier gibt es eine Hysterese die entweder fest eingestellt oder parametrierbar ist. Neben einer expliziten

Auswahlmöglichkeit zwischen Schaltschwelle und Schaltfenster gibt es auch eine Implementierung welche

die Schaltfenster-Funktion auswählt, wenn der Rücksetz-Schwellenwert grösser als der Schwellenwert ist.

100

Aussteuerung der Messspanne (%)

Zeit

Anregung Ausgangssignal

Schwellenwert Schwellenwert - Hysterese

Hysterese

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Abb. 12: Definition des Schaltfensters

2.5 Erweiterte Informationsübertragung mit binären Signalen

2.5.1 IO-Link

IO-Link baut auf einem Schaltausgang auf. Neben der standardmässigen Signalisierung mit einem

Schaltausgangssignal kann ein entsprechender IO-Link-Master den Sensor in den Kommunikationsmodus

versetzen. Der dann bidirektional mögliche Datenaustausch basiert auf einem Digitalprotokoll mit

festgelegter Bitrate. In diesem Kommunikationsmodus arbeitet der Ausgang in Push-Pull-Ausführung, um

beide Signalflanken, steigende und fallende, nicht zu verschleifen. Dies erreicht eine dann niederohmige

Ansteuerung welche eine schnelle Umladung der Kabelkapazitäten vermag.

C/DI

+Vs

SteuereinrichtungIO-Link-Sensor

GND (0 V)

+Vs

C/Q

Abb. 13: Prinzipschaltbild einer IO-Link-Implementierung

100

Aussteuerung der Messspanne (%)

Zeit

Anregung Ausgangssignal Schaltfenster min. Schaltfenster max.

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2.5.2 Puls-Weiten-Modulation (PWM)

Mit der PWM lässt sich ein kontinuierlicher Messwert über einen binären Schaltausgang übertragen. Die

Information steckt in einem periodischen Rechtecksignal, dessen Verhältnis der Einschaltdauer zur

gesamten Periodenlänge den Messwert zwischen 0 und 100 % repräsentiert.

Abb. 14: Beispiel für Puls-Weiten-Modulation (PWM)

2.5.3 Impulsausgang zur Summenbildung

Durchfluss-Messgeräte haben üblicherweise auch einen Impulsausgang implementiert. Über diesen wird

beim Erreichen einer festgelegten kumulierten Durchflussmenge ein Impuls ausgebeben, der von der

Auswerteeinheit aufsummiert wird. Diese Summe entspricht dann der gesamten Durchflussmenge

(Volumen) über den betrachteten Zeitraum.

Abb. 15: Beispiel eines Durchfluss-Messgerätes mit Anzeige der kumulierten Durchflussmenge

2.5.4 Frequenzausgang zur Messwertübertragung

Kontinuierliche Messwerte können über ein binäres Signal mit veränderlicher Frequenz übertragen werden.

Der Messwertbereich 0 … 100 % ist dann zwischen einer unteren und oberen Frequenz definiert.

Mechanische Durchfluss-Messgeräte (Turbinen) geben so beispielsweise die Durchflussrate aus.

Elektronische Durchfluss- Messgeräte (z. B. MID) emulieren dieses Signal um einen direkten Austausch zu

ermöglichen.

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3 Anhang

3.1 Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Physikalische Ausführungsformen von Schaltausgängen ..................................................................... 2

Abb. 2: Logische Signalzuordnungen für die jeweiligen physikalische Ausführungsformen ............................. 3

Abb. 3: Prinzipschaltbild eines PNP-Schaltausgangs ........................................................................................ 4

Abb. 4: Prinzipschaltbild eines NPN-Schaltausgangs ........................................................................................ 4

Abb. 5: Prinzipschaltbild eines Push-Pull-Schaltausgangs ................................................................................ 5

Abb. 6: Prinzipschaltbild eines elektromagnetischen Relais .............................................................................. 5

Abb. 7: Beispiel für eine eigensichere Ex i-Trennstufe mit elektromagnetischem Relais .................................. 6

Abb. 8: Prinzipschaltbild eines optoelektronischen Relais ................................................................................. 6

Abb. 9: Beispiel einer Sensorelektronik mit zwei optoelektronischen Relais-Kontakten ................................... 7

Abb. 10: Antivalente Signalisierung zur Funktionsüberwachung am Beispiel von PNP-Ausgängen................. 9

Abb. 11: Definition der Schaltschwelle mit Hysterese ...................................................................................... 10

Abb. 12: Definition des Schaltfensters ............................................................................................................. 11

Abb. 13: Prinzipschaltbild einer IO-Link-Implementierung ............................................................................... 11

Abb. 14: Beispiel für Puls-Weiten-Modulation (PWM) ...................................................................................... 12

Abb. 15: Beispiel eines Durchfluss-Messgerätes mit Anzeige der kumulierten Durchflussmenge .................. 12

3.2 Dokumentations-Historie

Version

Datum

Überprüft

Änderung / Ergänzung / Beschreibung

V1.00

27.07.2020

fep

Initialdokument